由猶他大學(xué)物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組發(fā)現(xiàn)了如何解決由一種叫做量子點(diǎn)的新型材料制成的激光器中出現(xiàn)的一個(gè)主要問(wèn)題。這一前所未見(jiàn)的現(xiàn)象將對(duì)光子學(xué)研究的一個(gè)新興領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，其中包括有一天將利用光而不是電子來(lái)制造編碼信息的微芯片，該研究于2019年2月4日發(fā)表在《自然通訊》上。

激光是一種放大光的裝置，通常只產(chǎn)生一束狹窄的光。光束的強(qiáng)度取決于制造激光的材料，光通過(guò)這種材料，產(chǎn)生一種由波長(zhǎng)相似光波構(gòu)成的光束，將大量能量集中到一個(gè)小區(qū)域。這種能夠放大光束能量的材料特性被稱(chēng)為“增益”。許多科學(xué)家正在用量子點(diǎn)制造激光，量子點(diǎn)是由半導(dǎo)體材料制成的微小晶體，直徑僅為100個(gè)原子。

博科園-科學(xué)科普：晶體的大小決定了光束的波長(zhǎng)，從藍(lán)光到紅光，甚至到紅外線(xiàn)。人們之所以對(duì)量子點(diǎn)激光器感興趣，是因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^(guò)使用不同的半導(dǎo)體材料，選擇不同形狀和尺寸的激光器，使晶體生長(zhǎng)到不同的尺寸，從而調(diào)整其性能。缺點(diǎn)是量子點(diǎn)激光器通常含有微小的缺陷，這些缺陷會(huì)將光分裂成多個(gè)波長(zhǎng)，從而分散光束的能量，降低光束的功率。理想情況下，你希望激光把能量集中到一個(gè)波長(zhǎng)。這項(xiàng)新研究試圖糾正這一缺陷。首先喬治亞理工學(xué)院的合作者用硒化鎘制造了50個(gè)微型圓盤(pán)狀量子點(diǎn)激光器。團(tuán)隊(duì)隨后證明，幾乎所有的單個(gè)激光器都存在分裂光束波長(zhǎng)的缺陷。

然后研究人員將兩束激光耦合在一起，以糾正波長(zhǎng)的分裂。他們把一束激光調(diào)到最大增益，這就描述了可能的最大能量。為了獲得最大的增益，科學(xué)家們?cè)诘谝皇す馍习l(fā)射了一束被稱(chēng)為“泵浦”光的綠光。量子點(diǎn)材料吸收了光并重新發(fā)射出一束更強(qiáng)的紅光。他們?cè)诩す馍习l(fā)出的綠光越強(qiáng)，能量的增益就越高。當(dāng)?shù)诙す鉀](méi)有增益時(shí)，兩束激光的差值阻止了相互作用，仍然發(fā)生了分裂。然而，當(dāng)研究小組將一束綠光照射到第二束激光上時(shí)，它的增益增加，縮小了兩束激光之間的增益差。一旦兩束激光器的增益變得相似，兩束激光器之間的相互作用就會(huì)糾正分裂并將能量聚焦到一個(gè)波長(zhǎng)，這是人們第一次觀察到這種現(xiàn)象。

這些發(fā)現(xiàn)對(duì)一個(gè)叫做光學(xué)和光子學(xué)研究的新領(lǐng)域有意義。在過(guò)去的30年里，研究人員一直在試驗(yàn)用光來(lái)傳遞信息，而不是用傳統(tǒng)電子產(chǎn)品中的電子。例如與其把大量的電子放在微芯片上讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行，還不如用光來(lái)代替。激光將是其中的一個(gè)重要組成部分，正確的波長(zhǎng)分裂可以提供一個(gè)重要的好處，通過(guò)光控制信息。在這個(gè)領(lǐng)域使用量子點(diǎn)等材料也可能是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。有人能用量子點(diǎn)制造出一種無(wú)缺陷的激光并非不可能，但這既昂貴又耗時(shí)。相比之下，耦合是一種更快、更靈活、更劃算的解決問(wèn)題的方法，這是一個(gè)小技巧，這樣我們就不必制造出完美的量子點(diǎn)激光器。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: ?猶他大學(xué)

Lisa Potter,?University of Utah

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-08432-6

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